23 października 2017


Plazma to gazowa materia o wysokiej temperaturze, przewodząca prąd elektryczny. Składa się z dodatnio i ujemnie naładowanych cząstek, a także ze wzbudzonych i obojętnych atomów oraz cząsteczek. Pomiędzy zachodzącymi w obrębie plazmy procesami dysocjacji, jonizacji i rekombinacji istnieje dynamiczna równowaga, przez co plazma pozostaje elektrycznie obojętna. W celu wytworzenia plazmy do celów technicznych należy podgrzać gaz do wysokiej temperatury przy wykorzystaniu odpowiedniego źródła ciepła, bądź poddać go działaniu silnego pola elektrycznego, aby osiągnął postać zjonizowaną.

Krzysztof Baran

Proces cięcia plazmowego opracowano pod koniec lat 50-tych ubiegłego stulecia na potrzeby cięcia stali wysokostopowych i aluminium. Technologię tę zaprojektowano z myślą o wszystkich metalach, których ze względu na skład chemiczny nie można ciąć metodą tlenową. Cięcie plazmowe można stosować do cięcia wszelkich materiałów przewodzących prąd elektryczny, m.in. stali konstrukcyjnej, stali wysokostopowych, metali nieżelaznych (np. aluminium i miedzi) oraz metalowych płyt platerowanych. Zależnie od wybranej technologii cięcia plazmowego, wydajności systemu tnącego oraz rodzaju materiału, możliwe jest cięcie elementów o grubości od ok. 0,5 mm do 160 mm.

ciecie plazma
Rys. 1  Obszary zastosowania procesów cięcia termicznego

Cięcie plazmowe jest niezastąpioną metodą cięcia średnich i grubych blach ze stali wysokostopowej i aluminium. Stosuje się je również przy cięciu elementów z typowej stali konstrukcyjnej o grubości do ok. 50 mm z minimalnym ryzykiem odkształceń, zwłaszcza w przypadku cienkich elementów. Ze względu na niską wartość energii liniowej metoda ta jest szczególnie wskazana do cięcia drobnoziarnistych stali konstrukcyjnych o dużej wytrzymałości.
Jest to proces cięcia termicznego, w ramach którego łuk plazmowy skupiany jest w dyszy palnika. Do cięcia materiałów przewodzących prąd elektryczny wykorzystuje się łuk zależny, powstający podczas przepływu prądu pomiędzy nietopliwą elektrodą (katodą) a obrabianym elementem (anodą). Jest to najpowszechniej stosowana metoda cięcia plazmowego. W przypadku łuku niezależnego jego zajarzenie łuku pomiędzy elektrodą a dyszą. Nawet przy zastosowaniu gazu tnącego zawierającego tlen, decydujące znaczenie ma efekt cieplny łuku plazmowego. Z tego powodu metody tej nie uznaje się za proces cięcia przez spalanie materiału, lecz raczej za metodę cięcia przez topienie.
Gazy plazmowe ulegają w łuku elektrycznym częściowej dysocjacji i jonizacji, dzięki czemu zyskują zdolność przewodzenia prądu (stan plazmy). Za pośrednictwem dużej gęstości energii oraz wysokiej temperatury plazma rozszerza się i przemieszcza w kierunku ciętego elementu z prędkością trzykrotnie przekraczającą prędkość dźwięku.
W wyniku rekombinacji atomów i cząsteczek na powierzchni elementu dostarczona energia zostaje błyskawicznie uwolniona, co potęguje efekt cieplny łuku plazmowego na powierzchni materiału. Temperatura w łuku plazmowym może wynosić nawet 30000 K (tj. 29726,85 °C). Temperatury tego rzędu, w połączeniu ze znaczną energią kinetyczną gazu plazmowego, umożliwiają szybkie cięcie wszelkich materiałów przewodzących prąd, stosownie do ich grubości. W wyniku działania energii cieplnej łuku oraz gazu plazmowego metalowa powierzchnia ulega roztopieniu i częściowo wyparowuje. Energia kinetyczna gazu plazmowego wypycha roztopiony materiał ze szczeliny.
Zastosowanie konkretnego gazu plazmowego uzależnione jest od rodzaju ciętego materiału. Na przykład jednoatomowy gaz, jakim jest argon, i/lub gazy dwuatomowe takie jak wodór, azot, tlen (oraz ich mieszaniny), a także oczyszczone powietrze, stosuje się zarówno w charakterze gazów plazmowych jak również gazów tnących.

Gazy stosowane w procesie cięcia plazmowego

  • Gaz plazmowy – tak określa się wszystkie gazy i mieszaniny gazów, jakie można zastosować do wytworzenia strumienia plazmy oraz do przeprowadzenia procesu cięcia. Łuk plazmowy zasadniczo funkcjonuje w dwóch fazach: w fazie zajarzenia i w fazie cięcia. Z tego powodu gazy plazmowe można podzielić na gazy wykorzystywane do zajarzania łuku i do cięcia – mogą się one różnić zarówno rodzajem gazu jak również natężeniem przepływu.
  • Gaz zapłonowy – służy do zajarzenia łuku plazmowego. Umożliwia proces zajarzenia i/lub zwiększa trwałość elektrody.
  • Gaz tnący – jest niezbędny do procesu cięcia danego materiału przy pomocy łuku plazmowego. Jego zadaniem jest zapewnienie optymalnej jakości cięcia różnych materiałów.
  • Gaz pomocniczy (gaz wirujący, gaz osłonowy) – otacza strumień plazmy, schładzając go i jednocześnie skupiając. W ten sposób pozwala zwiększyć jakość krawędzi cięcia, a także chroni dyszę podczas penetracji materiału i cięcia pod lustrem wody.

Dobór gazu plazmowego odgrywa decydującą rolę w kwestii jakości i opłacalności procesu cięcia plazmą. Poszczególne materiały, o różnych grubościach, wymagają użycia różnych czynników plazmotwórczych. Czynnikami takimi mogą być gazy, mieszaniny gazowe i woda. Aby uniknąć konieczności dalszej obróbki powierzchni po etapie cięcia plazmowego należy do danego materiału zastosować właściwy gaz plazmowy. Dokonując wyboru należy uwzględnić zarówno fizyczne jak i mechaniczne właściwości gazów. Aby uzyskać wysoką prędkość cięcia i odpowiednią jakość krawędzi, strumień plazmy musi charakteryzować się wysokim poziomem energii i optymalną przewodnością, konieczną do przeniesienia energii cieplnej na metal. Musi również mieć wysoki poziom energii kinetycznej. Właściwości chemiczne – redukujące, obojętne, utleniające – mają istotny wpływ na kształt ciętych krawędzi, a przez to na ewentualne koszty późniejszej obróbki wykończeniowej. Ponieważ gaz plazmowy wchodzi w interakcję z roztopionym metalem, może też znacząco oddziaływać na jakość krawędzi cięcia. W tym kontekście zmianie mogą ulec następujące parametry jakościowe: prostopadłość cięcia, chropowatość powierzchni, zaokrąglenie górnej krawędzi, powstawanie żużlu i spawalność po cięciu.
Podczas dokonywania wyboru gazu plazmowego należy wziąć pod uwagę następujące właściwości fizykochemiczne: energia jonizacji gazów jednoatomowych, energia dysocjacji gazów wieloatomowych, przewodność cieplna, masa atomowa i masa cząsteczkowa, ciężar właściwy oraz reaktywność chemiczna.

Dobór gazu plazmowego w zależności od materiału i metody cięcia
Funkcję gazów plazmowych mogą pełnić zarówno gazy obojętne jak również aktywne oraz ich mieszaniny. Przeznaczenie, proporcje mieszania oraz parametry czystości gazów do cięcia plazmowego określa norma ISO 14175. Jako gazy plazmowe można stosować argon, wodór, azot, tlen (i ich mieszaniny) oraz powietrze.

temperatura przewodnosc s
Rys. 2  Wpływ temperatury na przewodność cieplną gazów

W kontekście zalet i wad opisanych poniżej gazów plazmowych żadnego nie uznaje się za optymalny czynnik plazmotwórczy, dlatego w większości sytuacji stosuje się ich kombinacje lub mieszaniny. Przed użyciem danej mieszaniny gazów należy skonsultować się z producentem urządzenia tnącego, w celu potwierdzenia czy wybrane rozwiązanie jest odpowiednie dla konkretnego systemu. Zły dobór mieszaniny skutkuje zazwyczaj skróceniem trwałości materiałów eksploatacyjnych, a nawet uszkodzeniem lub zniszczeniem palnika.

Argon
Argon jest jedynym gazem obojętnym produkowanym na skalę przemysłową poprzez rozdzielenie powietrza, którego jest składnikiem (0,9325% objętościowo). Jako gaz obojętny jest on neutralny chemicznie. Ze względu na znaczną masę atomową (39,95) argon ułatwia wypchnięcie roztopionego materiału ze szczeliny cięcia, wytwarzając silne impulsy skoncentrowanego strumienia plazmy. Dzięki niskiej energii jonizacji (15,76 eV) argon stosunkowo łatwo ulega jonizacji. Z tego powodu często stosuje się go w czystej postaci do zajarzania łuku plazmowego. Dopiero po zajarzeniu łuku zależnego wprowadzany jest główny gaz plazmowy, rozpoczynający proces cięcia. Ze względu na stosunkowo niski współczynnik przewodzenia ciepła (entalpia) argonu nie można uznać za idealny gaz plazmowy – oferuje on dość niskie prędkości cięcia, a ponadto powoduje powstawanie tępych, łuszczących się powierzchni.

Wodór
W porównaniu z argonem wodór ma wyjątkowo niską masę atomową (1) i wysoką przewodność cieplną. Jego niezwykle wysoki maksymalny współczynnik przewodzenia ciepła zbliżony jest do temperatury dysocjacji, co jest następstwem procesów dysocjacji i rekombinacji. Dysocjacja wodoru następuje w przedziale temperatur 2000 K – 6000 K. Pełna jonizacja występuje w temperaturze ok. 25000 K. Rekombinacja i jonizacja dwuatomowego wodoru w początkowej fazie skupia znaczną część energii łuku, prowadząc do zawężenia jego strumienia. Gdy łuk uderza w powierzchnię materiału, naładowane cząsteczki ulegają rekombinacji i uwalniają energię w postaci ciepła, co przyczynia się do wzrostu temperatury roztapianego metalu. Przy udziale wodoru następuje redukcja trwałych tlenków chromu i aluminium, zwiększając płynność roztopionego materiału.
Z powodu opisanych wyżej właściwości fizycznych wodór sam w sobie nie jest optymalnym czynnikiem plazmotwórczym (podobnie jak argon). Jednak w wyniku połączenia pozytywnych cech termicznych wodoru (wysoki poziom energii, entalpia) z wysoką masą atomową argonu, powstaje mieszanina gazowa oferująca szybki przesył energii kinetycznej (masa atomowa) i cieplnej do ciętego materiału.

Mieszaniny argonowo-wodorowe
Mieszaniny argonowo-wodorowe stosuje się powszechnie do cięcia stali wysokostopowych i aluminium. Zaledwie kilkuprocentowy dodatek wodoru do argonu pozwala osiągnąć znacznie wyższą prędkość procesu i jakość krawędzi cięcia. Ponadto redukujący efekt wodoru zapewnia gładkie powierzchnie, bez tlenkowych nalotów.